这块驱动了2D游戏黄金时代的芯片，今年40岁了

说起摩托罗拉68000（简称68k），现在的玩家们已经比较陌生了。但是实际上，国内最热门的几款经典街机游戏，比如《街霸II》《拳皇97》和《打击者1945》，它们使用的街机基板都是围绕这款CPU芯片打造的。

是你

世嘉的《太空哈利》和《Out Run》，和大获成功的16位游戏主机MD，也使用了这个型号的CPU芯片作为核心运算单元。这还不是全部，这一时期日本厂商开发游戏使用的工作站，最主流的型号也是基于这款芯片设计的。

实际上，从上世纪80年代末到90年代中旬，绝大部分经典街机和家用机2D游戏，从概念诞生到与玩家见面的全程，都是在以68k作为基本框架的系统上完成的。

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68k的设计非常优秀，性能也很超前。这块芯片早在1979年就诞生了，但是到90年代中期仍然在主流街机和家用机市场上占有一席之地。

作为一款16位处理器，68k其实诞生得比较晚，英特尔著名的8086比它要早发布3年。但是迟到也有迟到的好处，摩托罗拉的技术更加成熟，让68k的晶体管数量达到了8086的两倍，而且还搭载了32位寄存器，让这个芯片具有了非常强悍的性能和兼容拓展潜力。

许多街机2D游戏画面的基础效果的实现，比如卷轴和画面元素的缩放，都需要配合其它芯片协同运算。68k良好的设计为整合这些功能打下了很稳健的基础。

在这条道路上走的最远的是世嘉。依靠两块68k和独家的缩放芯片，《太空哈利》已经能实现类似“3D”的效果：

而后来的《银河力量2》在一些场景下已经彻底模糊了2D和3D的边界：

另外，针对这块芯片做性能优化也相对比较容易。在设计原型的时候，68k就有意识地在性能和编程难度上作出了平衡。程序员们普遍表示给68k开发软件比英特尔8086之类的竞品要容易得多，这使得这块芯片的性能很容易就能够得到完全的发挥。

几乎所有80-90年代在国内流行的街机基板：卡普空的CPS系列、世嘉的System16和X、Y基板、SNK的AES和MVS，都使用的68k作为自己的CPU。

02

除了街机以外，在家用电脑上68k也有自己的一席之地。虽然价格稍显昂贵，但是和它出色的多媒体扩展能力相比，还是非常值得。

被誉为“开辟了多媒体时代”的Commodore Amiga

使用68k作为CPU的Commodore Amiga诞生的时候，市场份额最大的IBM兼容机只能支持四种颜色，画面是这样的：

假如程序员下功夫使用合成信号优化一下，也许可以实现这样的效果：

而Amiga可以实现的显示效果是这样的：

由于Amiga出色的性能，EA一度表示要“全力支持在Amiga上发布游戏”，在Amiga前景还不算明朗的时候，就把好几部8位机时代的游戏移植到这个新平台上。

EA总裁在采访中说明为什么EA将会全力支持Amiga

EA甚至还将自己公司内部使用的图像处理软件《Delux Paint》贡献了出来，推出了Amiga独占的版本，这在当年相当于是Photoshop级别的重磅工具软件。

日本在同时期也诞生了一款经典的电脑：夏普X68000。和面向普通家庭的Amiga不同，夏普X68000主要针对的是游戏开发市场，使用的操作系统也是由著名游戏厂商Hudson开发的。

虽然夏普X68000在当年售价高达将近37万日元（约合现在人民币4.6万元），但当年的日本游戏开发商普遍都会选择这个机型作为图形工作站。一方面是夏普针对图形处理做了很多优化，另一方面X68000使用的CPU和主机基板上的完全一样，开发模拟起来非常方便。

反过来说，由于使用了同样的CPU，把街机游戏移植到X68000上也十分方便，移植画面的还原程度也非常高。夏普X68000支持的游戏包括了卡普空的《街霸II》和世嘉的《超级摩托》这样的街机游戏，也包括了《泡泡龙》和《太阁立志传》这样的PC、主机游戏，可以说是主机大战的真实赢家，也成了一些老玩家口中的“神机”。

硬件解码，原汁原味

世嘉MD的成功，和这块68k也脱不开联系。原本家用游戏主机是不太可能用得上这种高级芯片的，但是世嘉在因缘巧合下得到了一批廉价的低频版68k可以装在主机里，让世嘉MD拥有了街机级别的处理器性能，也让索尼克拥有了无与伦比速度感和爽快感。

03

从街机到主机再到图形工作站，摩托罗拉68k可以说撑起了80-90年代2D游戏的半壁江山。但是68k也有一个致命的缺陷：它始终都没有能够成为主流。

尽管Amiga、夏普X68000和苹果的麦金塔系列在各自领域都取得了不小的成功，但是和土气的办公用IBM X86兼容机比起来，出货量还是不够看。

使用68k芯片的雅达利ST、Amiga和麦金塔加起来出货量也只有IBM兼容机的零头

随着处理器速度越来越快，像世嘉的缩放芯片这种协处理硬件芯片的重要性也越来越低，更是抹消了68k在技术和设计哲学上的优势。天才程序员卡马克在386兼容机上实现了2D卷轴，制作了《指挥官基恩》，后来又在《德军总部3D》中实现了类似街机上的缩放效果。

《指挥官基恩》现在看起来好像没啥特别的，但是这是PC游戏革命的开端之一

借着这些机会，英特尔和微软的联盟也开始蚕食68k的优势领域。Windows花了大力气优化游戏和多媒体体验，甚至比尔盖茨本人都曾经下场出演广告。

比尔盖茨亲自推广在Windows上玩《Doom》

随着3D技术逐渐普及，68k系列已经无法跟上新时代的变化。从1991年开始，摩托罗拉就已经开始研究全新的PowerPC架构。1993年，夏普X68000停产。1994年，Commodore倒闭，而同时期苹果也逐渐滑向倒闭的边缘。基于68k的街机基板到2000年前后还有新游戏出现，但是开发游戏用的工作站已经逐渐变成了Windows和苹果电脑。

有些人觉得，68k系列的成功纯粹就是一个巧合，基于68k的系统能够呈现出绚丽的画面，主要功臣应该是那些协处理芯片，换个别的CPU也行。这种说法有一定的道理，毕竟68k虽然设计思路很优秀，但也没有使用过什么从未被超越的黑科技。不过对于玩家们来说，假如没有68k，游戏历史不会是我们熟悉的样子，有些陪伴了我们的童年的游戏，也许永远都不会出现。

有史以来最具影响力的芯片：42年历史的8086裸片拆解分析

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来源：EETOP编译自righto

英特尔8086微处理器是在42年前的上个月推出的， 我们为此款芯片制作了一些高分辨率的裸片以示纪念。8086是有史以来最有影响力的芯片之一。它开创了x86体系结构，该体系结构如今仍占据着台式机和服务器计算的主导地位。

下图是8086的裸片照片。在这张照片中，可以看到芯片的金属层，大部分遮住了其下的硅片层。在裸片的边缘，细细的绑定线提供了芯片上的焊盘和外部引脚之间的连接。(电源和接地焊盘各有两根绑定线，以支持较大的电流)。该芯片在当时是很复杂的，包含29000个晶体管。

（点击查看大图）

观察芯片内部

大多数集成电路都是用环氧树脂封装的，为了观察到内部的裸片，对于环氧树脂封装的芯片我们需要用到危险的酸来溶解封装。为了避免这种情况，我采用陶瓷封装的8086来替代。打开陶瓷封装很简单，就是用凿子沿着缝隙敲击，然后将陶瓷顶盖弹开即可。

40引脚陶瓷DIP封装的8086芯片

除去顶部，可以在中心看到硅芯片。芯片通过微小的绑定线连接到芯片的金属引脚。这是40针DIP封装，当时是微处理器的标准封装。请注意，硅芯片本身仅占芯片尺寸的一小部分。

8086芯片在集成电路封装的中间

我们采用冶金显微镜拍摄了数十张裸片的照片，并使用名为Hugin的程序将它们贴合成高分辨率的图像，文章开头的照片显示了芯片的金属层，但该层隐藏了其下方的硅。

在显微镜下，可以看到8086部件号以及版权日期。绑定线连接到焊盘和位于顶部的一部分微码ROM

对于下面的管芯照片，去除了金属和多晶硅层，显示了具有29,000个晶体管的底层硅。2 标签是根据我的逆向工程显示的主要功能块。芯片的左侧包含16位数据路径：芯片的寄存器和算术电路。加法器和高位寄存器构成与外部存储器通信的总线接口单元，而低位寄存器和ALU构成处理数据的执行单元。芯片的右侧具有控制电路和指令解码，以及控制每个指令的微码ROM。

在下面的芯片照片中，去掉了金属和多晶硅层，显示了底层的硅和29,000个晶体管。标签显示了主要的功能块。芯片的左侧包含16位数据通路：寄存器和算术电路。加法器和上层寄存器构成与外部存储器通信的总线接口单元，下层寄存器和ALU构成处理数据的执行单元。芯片的右侧有控制电路和指令解码，以及控制每条指令的微码ROM。

显示主要功能块的8086微处理器的裸片。

8086的一个特点是指令预取，它通过在需要指令之前从内存中获取指令来提高性能。这是由左上方的总线接口单元实现的，它可以访问外部存储器。高位寄存器包括8086的臭名昭著的段寄存器，它提供对比16位地址所允许的64 KB更大的地址空间的访问。对于每次存储器访问，都添加了段寄存器和存储器偏移量以形成最终的存储器地址。为了提高性能，8086有一个单独的加法器用于这些内存地址计算，而不是使用ALU。高位寄存器还包括六个字节的指令预取缓冲区和程序计数器。

芯片的左下角存放着执行单元，该单元用于执行数据操作。低位寄存器包括通用寄存器和堆栈指针等索引寄存器。16位ALU执行算术运算（加减法）、布尔逻辑运算和移位。ALU不执行乘法或除法，这些运算是通过一连串的移位和加/减法来完成的，所以速度相对较慢。

微码计算机设计中最困难的部分之一就是创建控制逻辑，该逻辑用来告知处理器的每个部分如何执行每条指令。1951年，莫里斯·威尔克斯（Maurice Wilkes）提出了微代码的想法：代替由复杂的逻辑门电路构建控制逻辑，可以用称为微代码的特殊代码代替控制逻辑。为了执行一条指令，计算机在内部执行一些更简单的微指令，这些指令由微码指定。使用微码，构建处理器的控制逻辑成为编程任务，而不是逻辑设计任务。

微代码在20世纪60年代的大型计算机中很常见，但早期的微处理器如6502和Z-80并没有使用微代码，因为早期的芯片没有空间来存储微代码。但是，后来的8086和68000等芯片，利用芯片密度不断增加的优势，使用了微代码。这使得8086可以实现复杂的指令（如乘法和字符串复制），而不会使电路更加复杂。缺点是微码占用了8086的很大一部分裸片；在裸片照片的右下角可以看到。

微码ROM的一部分。

上面的照片显示了微码ROM的一部分。在显微镜下，可以看到微码ROM的内容，并且可以根据每个位置上是否存在晶体管来读取位。ROM由512条微指令组成，每条21位宽。每个微指令指定数据在源和目标之间的移动。它还指定了微操作，可以是跳转，ALU操作，内存操作，微代码子例程调用。微码非常有效；一个简单的指令（例如递增或递减）由两个微指令组成，而更复杂的字符串复制指令则由八个微指令实现。

8086的历史

通往8086的道路并不像你想象的那样直接和有计划。它最早的祖先是1970年的台式电脑/终端机Datapoint 2200。Datapoint 2200是在微处理器诞生之前，所以它使用的是由一块布满独立TTL集成电路的电路板构建的8位处理器。Datapoint咨询英特尔和德州仪器公司是否可以用一块芯片取代那块板子。复制Datapoint 2200的架构，德州仪器在1971年推出了TMX 1795处理器，而英特尔推出的是8008处理器（1972年）。然而，Datapoint拒绝了这些处理器，这是一个致命的决定。尽管德州仪器公司找不到TMX 1795处理器的客户而放弃了它，但英特尔还是决定将8008作为产品出售，就此开创了微处理器市场。英特尔在8008之后又推出了改进的8080（1974）和8085（1976）处理器。

Datapoint 2200计算机。照片由Austin Roche提供。

1975年，英特尔的下一个重大计划是将8800处理器设计为1980年代英特尔的主要架构。由于计划的高性能，该处理器被称为“微型大型机”。它具有为Ada等高级语言设计的全新指令集，并在硬件级别支持面向对象的编程。不幸的是，该芯片当时过于雄心勃勃，大大落后于计划。它最终在1981年推出(作为iAPX 432)，性能令人失望，是一款商业失败的产品。

由于iAPX 432进度落后，因此英特尔在1976年决定在iAPX 432就绪之前需要一个简单的，权宜之计的处理器来销售。英特尔迅速将8086设计成一个16位处理器，与1978年发布的8位80804有一定的兼容性。随着1981年IBM个人电脑（PC）的推出，8086有了很大的突破。到1983年，IBM PC成为最畅销的计算机，并成为个人计算机的标准。IBM PC中的处理器是8088，是8086的变种，采用8位总线。IBM PC的成功使8086体系结构成为仍然持续了42年的标准。

IBM PC为什么选择Intel 8088处理器？据最初的IBM PC工程师之一David Bradley博士说，关键因素是团队对Intel开发系统和处理器的熟悉程度。（他们在较早的IBM Datamaster台式计算机 中使用了Intel8085 。）另一位工程师Lewis Eggebrecht表示，Motorola 68000是值得竞争的产品,但其16位数据总线将大大增加成本（与8086一样）。他还称赞了英特尔更好的支持芯片和开发工具。

无论如何，使用8088处理器的决定巩固了x86系列的成功。IBM PC AT（1984）升级到兼容但功能更强大的80286处理器。1985年，x86系列产品的80386移植到32位，然后在2003年采用AMD Opteron架构的移植到 64位。x86体系结构仍在通过AVX-512 矢量操作（2016）等功能进行扩展 。但是即使进行了所有这些更改，x86体系结构仍保留了与原始8086的兼容性。

晶体管

8086芯片采用了一种叫做NMOS的晶体管。可以将晶体管视为开关，控制电流在称为源极和漏极的两个区域之间流动。这种晶体管是通过在硅基底的区域掺杂杂质来制造具有不同电性能的 "扩散 "区域。晶体管由栅极激活，栅极由一种特殊类型的硅制成，称为多晶硅，层叠在硅基板之上。晶体管通过上面的金属层连接在一起，构建了完整的集成电路。现代的处理器可能有十几层金属层，而8086的金属层只有一层。

集成电路中MOSFET的结构。

下图是硅的特写照片，显示了算术逻辑单元(ALU)的一些晶体管。掺杂的导电硅呈深紫色。白色条纹是多晶硅线穿过硅的地方，形成了晶体管的栅极。(23个晶体管形成7个门)晶体管的形状很复杂，以使布局尽可能高效。此外，晶体管有不同的尺寸，以便在需要的地方提供更高的功率。请注意，相邻的晶体管可以共享源极或漏极，从而使它们连接在一起。圆圈是硅层和金属布线之间的连接（称为过孔），而小方块是硅层和多晶硅之间的连接。

8086中一些晶体管的特写镜头，金属和多晶硅层已在这张照片中去除。由于薄膜干扰，掺杂的硅具有深紫色外观。

结论

8086的本意是在英特尔发布他们的旗舰iAPX 432芯片之前，作为一个临时性的临时处理器，它是由一块满是TTL芯片的电路板构建的处理器的“后代”。但从这些不起眼的开始，8086的架构(x86)意外地最终主导了桌面和服务器计算，直到现在。

虽然8086是一个复杂的芯片，但可以在显微镜下检查单个晶体管。这里有一张8086去除金属和多晶硅后的高分辨率照片，点击查看大图。

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